1 前言
近几年，我国陶瓷砖装饰采用喷墨打印机的发展速度较快，主要得益于喷墨打印设备制造技术不断提高以及下游需求市场不断扩大，喷墨打印机在国内外市场上发展迅速，为我国陶瓷砖装饰采用喷墨打印机迎来良好的发展机遇。
1.1喷墨打印产品的优势
陶瓷墙地砖的装饰经历了丝网印花、辊筒印花之后，在近二年又掀起了喷墨打印的高潮，喷墨打印技术已被称为我国陶瓷墙地砖印花技术的第三次革命，被越来越多的国内陶瓷企业看好。喷墨打印机较之丝网印花和辊筒印花，具有许多无可比拟的优势。它能在极短的时间内达到个性化的要求，更加适合当今瓷砖装饰时装化、个性化、小批量、多花色的发展趋向。喷墨产品的精细度与高清晰的图片没有太大区别，传统技术的产品会受到规格方面的限制，而喷墨技术在理论上没有规格限制。近几年来仿古砖迅猛发展，一些高端品种诸如仿树皮、仿原木之类的饰釉砖表面是凹凸不平的立体面，其采用丝网印花和辊筒印花都无法实现，只有喷墨印花可以得心应手随心所欲。不仅更真实地还原自然材料的纹理和效果，还能在凹凸面上实现印刷。
1.2喷墨打印技术的特点
喷墨印花技术集电控、墨水使用、机械合成图案设计、数控操作等多领域先进技术于一体，该技术在瓷砖产品上的运用可使产品分辨率由普通技术的72dpi提高到360dpi，如用通俗的像素来表示，则可由现有辊筒印花效果的240万像素提升到1200万像素。该技术可灵活处理各种不同批量及不同品种的订单，转产时数码喷墨印花机具有不用更换墨水或清洗墨路的特点，省去了辊筒雕刻及试版工作，大大节省试版、生产等的成本；缩短了生产周期、减少了产品库存、降低了运输成本、缩小了仓库面积；消除了由于和喷印基材接触而造成的破损和缺陷，可以在凸凹不平的表面上印刷，大大减少印刷设备的开支。通过采用软件工具适应新的设计以满足更多消费者的需求。 此外，由于喷墨设备的自动化性能高、操作便利，大大减少人工劳动。
从设计方面来说，陶瓷砖设计的理念是回归自然。喷墨技术的出现，为陶瓷设计提供了丰富多彩的设计元素，花草鸟虫、飞禽走兽、山川河流等各种大自然的元素由此显得多彩多姿、蔚然成画，大自然的景观也由此成为设计师们取之不尽的设计元素。石材、木纹、外墙纸、布料等的纹理通过喷墨技术体现得淋漓尽致。
此外，喷墨打印改变了传统印花技术与瓷砖接触的特点，印刷效果通过喷头自上而下进行印刷，砖面不再与印刷工具直接接触，可以实现多角度、高致密性上釉，完全呈现瓷砖立体设计效果。喷墨打印首次实现了在瓷砖立体造型面上的一次性印花，尤其实现了各种凹凸浮面砖和斜角面上的纹理生动印花，凹凸立体面落差可达4mm，能使凹凸面均匀着色，令各种特殊造型的配件与主砖衔接更自然。正由于以上的种种原因，陶瓷砖装饰采用喷墨打印技术迎来了发展的春天。
2 喷墨打印机的发展历程
2.1喷墨打印技术发展简况
喷墨印刷的历史可以追溯到1884年，美国人C·H·Richard在注射器中放入水，挤压针端飞出液滴。由此受到启发，若使此飞出液体带电，用电控制其落点，就可以在纸上形成画像，此称为雾墨印刷。
喷墨打印Ink-jet Printing最早出现在1878年。1951年Siemens公司申请了将液态的墨水转变成墨滴的技术专利。当时因为针、墨有问题，导致效果不佳。直到1960年才正式进入实用阶段。1964年研发出一种特殊机台，可以控制墨滴的大小及喷出的速率，这是喷墨机的雏形。到1967年，Hertz研发出连续式的喷墨打印机，这就是目前在工业上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出压电式的按需喷墨打印。1979年Canon推出热驱动的按需喷墨打印，当时被称为气泡喷墨印刷。
20年前，喷墨打印开始运用到条码加工和产品序号的印刷上，但那时解析度无法让人满意。直到近10年，喷墨打印的品质才有了突飞猛进的发展。
2.2陶瓷砖应用喷墨打印技术发展简况
2000年世界第一台工业使用的陶瓷装饰喷墨打印机问世，西班牙的Kerajet公司是世界上第一家拥有喷墨设备技术专利的企业，而美国的FERRO公司则是世界上第一家拥有喷墨墨水专利的企业。因为Kerajet公司所研制的喷墨打印机受到专利保护，全世界的其它公司只能内部研发。该专利权在2008年开放后，其它原本内部研制喷墨打印机的公司才开始向外销售。因此，喷墨打印机在国内使用较晚。
2008年5月佛山市南海区希望陶瓷机械设备有限公司研发了我国第一台陶瓷砖装饰用喷墨打印机。杭州诺贝尔集团有限公司在2009年下半年采用西班牙Kerajet的陶瓷砖喷墨打印机，成为国内第一个推出喷墨砖的企业。金牌亚洲于2010年3月30日推出国内首款3D数码喷墨立体砖，成为广东陶企最早推出喷墨打印产品的企业之一。
近年来，全球陶瓷砖应用喷墨机械设备数量不断上涨。据统计数据显示，到2011年4月为止，全球已经在使用的喷墨打印机近400台，比2009年的设备数量翻了一番。其中，在我国的喷墨打印机已经有40台左右，占全球喷墨打印机总量的10%，目前涉足喷墨领域的佛山陶企将近20家，华东也至少有2家企业。据有关媒体和专家预测，未来5年内，喷墨打印设备将增加至1000台。世界陶瓷砖生产已进入喷墨打印年代，而作为全球陶瓷生产第一大国，我国必定成为该技术运用的潜力最大的市场之一。
3 喷墨打印机
3.1喷墨打印机的组成及工作特点
喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术，将电子计算机中存储的信息输入喷墨打印机即可实现印刷。它还具有无版数码印刷的共同特征，即可实现可变信息印刷。
喷墨打印机一般由喷头系统、喷头清洁系统、供墨系统、输送系统、清洁系统、操作及控制系统等组成。喷头系统由喷头、喷头矩阵及喷头板组成；供墨系统包括墨盒、过滤器、墨泵、管路等在内的循环供墨系统；操作及控制系统包括灰度控制器、显示器、路由器、芯片、接口在内的驱动电子设备、控制软件等，这些系统是喷墨打印机的关键核心技术。
3.2喷墨打印机的主要生产企业
国外生产喷墨打印机的主要企业是西班牙的KERAJET、CERTAPRINT，意大利的SYSTEM、DERST、PROJECTAENGINEERING、TECNOFERRARII、TECNO、IN.TESA等。目前这些喷墨打印机国内均有引进。
2008年后，国内开始研发陶瓷砖用的喷墨打印机。到2011年，国内陆续推出一批陶瓷砖用的喷墨打印设备。国内生产陶瓷砖用的喷墨打印机企业主要有两大类：一类是行业内以制造装饰机械为主的企业；二是以制造喷绘设备的企业。由于喷墨打印机的工作原理、结构和一般的喷绘设备区别不大，在较短时间内就开发出了适用于陶瓷行业的喷墨打印机。
目前国内能推出陶瓷砖用的喷墨打印设备的企业主要有：佛山市南海区希望陶瓷机械设备有限公司、上海泰威技术有限公司、佛山市新景机械设备有限公司(和深圳市润天智图像技术有限公司合作)、广州精陶机电设备有限公司、佛山市美嘉陶瓷设备有限公司等。
泰威喷墨打印机的外形见图1，西班牙cretaprint陶瓷喷墨打印机见图2。
4陶瓷墨水
4.1陶瓷墨水的发展
国外陶瓷墨水的研究起始较早， 2000年1月7日，FERRO公司向美国专利商标局提交了一份名为《用于陶瓷釉面砖（瓦）和表面的彩色喷墨印刷的独特油墨和油墨组合》的专利，该专利阐述了陶瓷墨水的制作方法，为陶瓷喷墨打印技术奠定了良好的基础。
喷墨墨水技术发展分两个阶段：第一阶段是2000~2006年，喷墨系统只有可溶性墨水。在这一阶段，由于所使用的可溶性墨水的低色彩范围、稳定性差和成本高，大大限制了产品所能实现的各种可能性，制约了发展；第二阶段，随着颜料墨水的技术进步，喷墨系统发生了质的飞跃。使用这些颜料墨水，喷墨打印系统可以打印市场上的常规颜色，而且价格也具竞争力。这种技术的飞跃其影响甚至可扩大到景观设计，并带动了更多的新设备厂家进入市场及将一些新元素引入到新的色彩制作中。一些公司开始专门研究陶瓷领域的最佳解决方案。
4.2陶瓷墨水的特点
陶瓷墨水是纳米技术制造出的超微细的无机材料，不是简单的颜色混合调配就可以达到的。喷墨设备采用的是四色印刷，和我们传统印刷行业大致一样，即C(Blue,蓝色)、M(Magenta,介于红色与橙色之间的一种色彩)、Y(Yellow，黄色)、K(Black,黑色)四种颜色，目前还无法达到100%的红色，因此在印刷效果上可能会受到制约，导致设计初衷无法完全满足。也就是同时满足无机色釉和纳米混合这两个条件，是非常困难的。和传统纸制品的印刷不同，瓷砖的印刷不仅要突破这样的问题，还要考虑高温烧成的效果。
所谓陶瓷墨水就是含有某种陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷着色剂的墨水。陶瓷墨水的组成和性能与打印机的工作原理和墨水用途有关。陶瓷墨水通常由无机非金属颜料（色料、釉料）、溶剂、分散剂、结合剂、表面活性剂及其它辅料构成。无机非金属颜料（色料、釉料）是墨水的核心物质，要求其颗粒度小于1μm，颗粒尺寸分布要窄，颗粒之间不能有较强的团聚，有较好的稳定性，受溶剂等其它物质的影响小。
溶剂是把无机非金属颜料（色料、釉料）从打印机输送到受体上的载体，同时又控制干燥时间，使墨水粘度、表面张力等不易随温度变化而改变，溶剂一般采用水溶性有机溶剂，如：醇、多元醇、多元醇醚和多糖等。分散剂促使无机非金属颜料（色料、釉料）均匀地分布在溶剂中，并保证在喷印前粉料不发生团聚。分散剂主要是一些水溶性和油溶性高分子类、苯甲酸及其衍生物、聚丙烯酸及其共聚物等。结合剂可保障打印在陶瓷坯体上的色料具有一定的强度，便于生产操作，同时可调节墨水的流动性能，通常树脂能起到结合剂和分散剂的双重作用。表面活性剂是控制墨水的表面张力在合适的范围内。其它辅助材料主要有墨水pH值调节剂、催干剂、防腐剂等。
4.3国外生产喷墨墨水的企业及陶瓷墨水的特点
2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的发展，到目前为止，除了美国FERRO公司外，西班牙的ESMALGLASS-ITACA、CHIMIGRAF、COLORBBIA,TORRECID四家公司也是陶瓷装饰墨水的主要制造商。作为全球前三大的色釉料供应商Esmalglass-itaca，陶瓷墨水也是他们目前主推的产品，针对墨水颜色偏浅的状况，Esmalglass-itaca推出了HCR(高色彩范围)喷墨墨水和HCP(高色彩性能)釉料。
据了解，HCR喷墨墨水分为黄色、米色、粉色、蓝色、棕色和黑色六种，物理和化学性能稳定，色泽强烈，高亮度发色深，且扩大了颜色范围，使色调更一致、更均匀，有效降低墨水用量。据说HCR喷墨墨水已通过陶瓷行业内所有喷墨设备厂家和现有打印喷头厂家的验证和测试。
另外，为了提高色彩强度和墨水的颜色范围，Esmalglass-itaca研制出HCP釉料，以加深喷墨墨水颜色。一方面，通过HCP釉料提高喷墨墨水的色彩强度，每块瓷片即可减少所需墨水的使用量，但却能取得同样的色调，对每块瓷片降低生产成本具有重要意义；另一方面，Esmalglass-itaca已设法扩大墨水的色彩范围，确保墨水在任何生产软件上都能达到最大的安全性和颜色性能。
2008年初引入喷墨印刷技术时，陶瓷墨水售价为100万元/吨，而现在价格为36万元/吨。虽然价格在两年间下降了64%，但陶瓷墨水的价格与普通色釉料的价格相差高达30倍，成为众多应用喷墨技术的陶瓷企业烦恼的问题。
喷墨墨水的保质期只有2~3个月，主要问题是容易造成沉淀。尽管喷墨打印机的喷头内部装有循环系统，但陶瓷墨水与家用的液体墨水不同，它是陶瓷色料和液体墨水的混合体，加上色料的比重较高，因此循环系统只能减少墨水沉淀的情况。由于墨水的保质期短，国外的喷墨墨水又需要通过空运送到我国市场，造成了墨水价格高居不下状况。
尽管现在喷墨墨水已经发展到11种颜色，但喷墨印刷技术不能喷出深红色或鲜红色，只能喷到粉红色的程度。由于包裹红的颗粒太粗，无法通过喷墨打印机的喷头，因此，现在行业内还不能调配出红色墨水。
随着海外釉料企业对我国市场的重视，越来越多海外墨水供应商选择在我国建厂，缓解我国企业使用喷墨技术成本高的难题，希望率先赢得我国市场。当墨水不再需要空运时，成本将大大降低。
4.4国内陶瓷墨水研究概况
国内陶瓷墨水的研究始于2000年，近年来形成了天津大学、南昌航空工业大学、大连理工大学、陕西科技大学和华南理工大学等研究团队，并发表了一批研究论文。企业研究方面出现了道氏制釉、华山制釉、科信达奥斯博、博奥科技等公司，取得了3个发明专利的成绩，尤其是道氏制釉已经获得其中2个专利。尽管如此，陶瓷墨水在国内仍处于研究阶段，离真正产业化还有一定的距离。不过，在2011年广州陶瓷工业展览会上已看到博奥科技生产的陶瓷墨水。据了解博奥科技生产的陶瓷墨水已经能够在喷墨打印机上使用，目前他们正在全力推广。
5 喷 头
5.1压电喷头的工作原理
压电喷头的工作原理为：利用压电传感器对墨水施加冲击。当计算机控制的变化电压施加在压电传感器上时，它会随电压的变化而发生体积的收缩和膨胀，体积变化的方向取决于压电材料的结构和形状。当传感器收缩时会对喷嘴内的墨水施加一个直接的高压，使其从喷嘴高速喷出，电压消失后，压电材料恢复到原来的尺寸，墨室依靠毛细作用被储墨充满。
压电式喷墨打印头内装有一定容量的墨水，在喷孔上部侧面装有压电陶瓷，在压电陶瓷上施加脉冲电压，电压可使压电陶瓷形变后产生压力，从而挤压喷孔中的墨水喷射出墨滴，墨滴落到打印介质上形成墨点，由不同颜色喷孔喷射的墨点组成画面；由打印控制系统控制喷孔上的压电陶瓷的工作状态；打印头上的喷孔和墨管相连，通过可精确控制墨水容量和墨路压力的供墨系统为打印头连续工作提供墨水。压电式喷嘴每秒钟大约能喷出14000个左右的墨滴。压电式喷头的分辨率高达1440dpi(每英寸点数)。
喷墨打印机的喷头是喷墨技术的关键之关键，就犹如汽车的发动机一样，是喷墨打印机的心脏。因此，喷头技术好与坏直接影响喷墨技术的质量，但目前喷头的关键技术还是掌握在欧美等强国手上，我国还没有能力自主生产喷墨打印机的喷头。
5.2喷头品牌介绍
喷头在陶瓷喷墨打印设备的位置非常重要，目前世界上的陶瓷喷墨打印机的喷头生产技术被分别被美国的FUJIFILM Dimatix“北极星”、英国XAAR“赛尔”、日本的Konica和精工SPT所垄断。
FUJIFILM Dimatix具有27年研发喷墨打印头技术的经验。据了解，在27年之前FUJIFILM Dimatix就开始研究喷头技术，并投入资金3亿美元，在1984年最初创建时叫作Spectra公司，2005年更名为Dimatix，2006年由FUJIFILM公司收购。
日本精工SPT喷头 由日本精工电子集团所生产，精工最先是在生产精密钟表方面闻名世界，如今在生产集装压电式喷头也拥有着雄厚的技术支撑。日本精工电子科技的SPT喷头目前在业内应用广泛，在世界喷头的市场占有率近50%。
国内所有自主研发的喷墨打印机，目前喷头基本是来自这四家企业。其中，主要是两家，一是由美国FUJIFILM Dimatix供应；二是由英国XAAR供应。这几家拥有打印设备喷头技术的企业，经历几十年的科研与经验积累，注入大量的资金、人力、物力才得以成功，因此喷头的研发成功并非一蹴而就。
国内喷墨打印机的喷头在未来几年内仍然需要依赖进口。喷头的外形见图3、4。
5.3喷头的寿命、价格
喷头的寿命都比较短，经常更换喷头是喷墨技术急需解决的问题。据了解，在条件良好的情况下（非正常损耗除外）喷头的使用寿命可以达到100万m2以上。而且喷头目前还没有国产化，因此许多陶企都需要花高价进口喷头。据悉，一个喷头就要3~4万元左右。依据喷头结构不同，喷头的孔数不一，1台喷墨打印机所需的喷头数量也不一样，少则需40个喷头，多则需96个喷头，甚至100多个，其昂贵的价格制约喷墨打印机的推广和应用。
6 陶瓷喷墨打印今后的发展
我国的陶瓷喷墨打印技术还处于初级阶段，和国外相比还存在较大的差距。在短短的二年里，我国陶瓷喷墨打印机的制造企业已达近十家，但目前的核心技术仍然被国外企业所垄断。因此今后国内研发重点应放在喷头和墨水上，陶瓷喷墨打印机不应该再出现新的企业，而应该将重点放在陶瓷喷墨打印机的服务和软件设计上，使国内的陶瓷喷墨打印机尽快摆脱国外的限制，开发出具有完全独立知识产权的陶瓷喷墨打印机。
喷墨打印技术朝着精细的图案打印质量的方向发展，随着喷墨技术和制造能力的逐步提高，通过更细小的墨滴和精准的喷墨控制实现越来越高图像分辨率，更快的喷射速度（频率），实现高速打印。通过多颜色的墨水应用展现丰富的色彩。
日前，国家工业和信息化部公布了《产业关键共性技术发展指南(2011年)》，里面列出了国家十二五规划期间将要集中突破的八大项目，包括：节能环保与资源综合利用、原材料工业、装备制造业、消费品工业、电子制造业、软件和信息技术服务业、通信业及信息化和生产性服务业。
其中，装备制造业项目又下分九个小项目，“高档印刷装备”属于其中项目之一，里面涉及“高端、智能化印刷机墨色控制系统技术”、“高端、智能化印刷机电子轴(无轴)传动系统技术”、“喷墨数字印刷机压电式喷墨打印头制造技术”三大研发技术。由这三个项目可见，国家对于喷墨打印的产业共性核心技术非常关注，陶瓷行业的喷墨打印当然也属于此产业共性关键技术。看来，目前最迫切需要解决的就是喷墨打印的墨水控制系统技术、传动技术以及喷墨打印头技术，这与陶瓷行业的喷墨打印国产化实际遇到的问题同出一辙。
（1） 陶瓷数码喷墨打印机喷头的关键技术实际上有两个：一是压电晶体陶瓷材料；二是微电子机械加工技术。而喷头的核心技术是压电晶体半导体陶瓷和微电子机械系统（MENS），作为战略性新兴产业的微电子机械系统（MENS）应该成为国家重点支持科技项目。
（2） 国内研究陶瓷墨水虽有10年历程，但是仍处于理论研究阶段为主。虽然部分陶瓷色釉料企业在2011年推出陶瓷墨水，但离上线推广应用还有一段路程要走，当然这需要墨水的生产企业和墨水的用户以及陶瓷喷墨打印机制造厂家的全面合作才能在短期内实现。相信在不久的将来，必将攻破墨水的技术难关，成本将不是制约国内陶瓷企业运用喷墨技术。
（3） 建立一支完善的培训和服务体系，加强售后服务和技术服务以及质量控制，使喷墨打印机充分发挥效能。